細(xì)菌趨化性和土壤中細(xì)菌趨化現(xiàn)象的研究進(jìn)展

1、細(xì)菌趨化性和土壤中細(xì)菌趨化現(xiàn)象的研究進(jìn)展?朱曉艷1沈重陽1陳國煒2張偉3李保國1王鋼1?(1中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，資源與環(huán)境學(xué)院，北京100083)(2合肥工業(yè)大學(xué)，土木與水利工程學(xué)院，合肥230009)(3密西根州立大學(xué)，植物、土壤與微生物學(xué)系，密西根州，東蘭辛48824，美國)摘要土壤是地球生態(tài)系統(tǒng)中最具生命活性的組成部分，特有的孔隙結(jié)構(gòu)承載著生物圈中最豐富多樣的微生物生命形態(tài)，為動(dòng)植物提供了大量的調(diào)控功能。土壤是一個(gè)不斷演變和發(fā)展的生態(tài)系

2、統(tǒng)，而微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的核心，也是驅(qū)動(dòng)碳、氮等元素以及能量循環(huán)的關(guān)鍵因子。趨化性是細(xì)菌在長期進(jìn)化過程中形成的幫助其尋找食物或趨利避害的本能，結(jié)合其他的內(nèi)在生理特征，細(xì)菌能夠迅速適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境。營養(yǎng)物、異源污染物和水分條件等的不均勻分布致使土壤中細(xì)菌趨化現(xiàn)象普遍存在，并且時(shí)刻影響土壤微生物的群落組成及其時(shí)空分布。近年來，土壤細(xì)菌趨化性已成為國內(nèi)外土壤微生物學(xué)研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。本文分析了土壤細(xì)菌趨化性研究的前沿問題和主要進(jìn)展，闡述了

3、細(xì)菌趨化行為模式、趨化信號(hào)傳導(dǎo)通路和趨化性數(shù)學(xué)模型，探討了土壤中普遍存在的細(xì)菌趨化現(xiàn)象及相關(guān)的主要研究技術(shù)手段（熒光原位雜交技術(shù)、微流控技術(shù)和光學(xué)顯微技術(shù)），并對(duì)土壤細(xì)菌趨化性研究的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望，旨在為今后的相關(guān)研究和實(shí)際應(yīng)用提供參考。關(guān)鍵詞土壤多孔異質(zhì)性；細(xì)菌趨化性；微流控技術(shù)；熒光原位雜交技術(shù)；光學(xué)顯微技術(shù)中圖分類號(hào)S154.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A土壤中的細(xì)菌常常主動(dòng)利用自身特性進(jìn)行取食并趨向有利（或躲避有害）環(huán)境。細(xì)菌的這種趨向有利

4、化學(xué)物質(zhì)（引誘劑，正趨化作用）、規(guī)避有害化學(xué)物質(zhì)（驅(qū)避劑，負(fù)趨化作用）的本能簡稱為趨化性[1]。細(xì)菌趨化現(xiàn)象普遍存在于土壤生態(tài)系統(tǒng)中，受土壤物理、化學(xué)和生物因素的綜合影響。它調(diào)節(jié)土壤微生物多樣性及土壤養(yǎng)分的循環(huán)、轉(zhuǎn)化和分布等[2]，并在土壤污染生態(tài)防治及微生物過程修復(fù)等應(yīng)用研究中意義重大[3]。自Pfeffer[4]發(fā)現(xiàn)細(xì)菌趨化性以來，國內(nèi)外眾多學(xué)者就針對(duì)其展開了廣泛的研究，其中，土壤中細(xì)菌的趨化現(xiàn)象備受人們關(guān)注。但由于土壤本身具有難觀

5、測性、空間異質(zhì)性和時(shí)空變化不穩(wěn)定等特性，土壤中細(xì)菌趨化性研究極具困難。近幾十年以來，熒光原位雜交技術(shù)、微流控技術(shù)和光學(xué)顯微技術(shù)的快速發(fā)展，為土壤細(xì)菌趨化性研究提供了技術(shù)支撐和光明的研究前景，極大地推動(dòng)了其研究進(jìn)程[57]。本文就國內(nèi)外有關(guān)土壤細(xì)菌趨化性的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)和探討，并就將來進(jìn)一步的研究進(jìn)行了展望，旨在為今后的相關(guān)研究提供一定的參考。?國家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)（2016YFD0200306），國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41877412）和

6、國家千人計(jì)劃青年項(xiàng)目（2016）資助SupptedbytheNationalKeyResearchDevelopmentProgramofChina(No.2016YFD0200306)NationalNaturalScienceFoundationofChina(No.41877412)theNationalThous(Youth)TalentsProgramofChina（2016）.?通訊作者Crespondingauth，王鋼，

7、Email:gangwang@cau.作者簡介：朱曉艷（1990），女，河南滑縣，博士研究生，主要從事土壤細(xì)菌趨化性研究。Email:toxyzhu@cau.E.coli整個(gè)趨化信號(hào)傳導(dǎo)通路由感受環(huán)境中化學(xué)物質(zhì)濃度的跨膜趨化性受體蛋白MCP（TarTsrTrgTapAer）和細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的六種調(diào)節(jié)蛋白（CheACheWCheYCheBCheR和CheZ）參與，任何一個(gè)MCP和調(diào)節(jié)蛋白控制基因的突變或缺失均能致使細(xì)菌失去對(duì)特定引誘劑趨化信號(hào)的

8、感知或傳遞能力，最終使細(xì)菌趨化功能受損或徹底喪失[14]。整體上，E.coli整個(gè)傳導(dǎo)通路由傳感模塊和運(yùn)動(dòng)模塊兩部分組成（圖2），兩模塊經(jīng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)CheY蛋白連接[15]。一般情況下，有活性的CheA蛋白能夠進(jìn)行自磷酸化，一旦CheA蛋白通過自磷酸化得到磷酸基團(tuán)，則將它轉(zhuǎn)移給響應(yīng)調(diào)節(jié)器CheY蛋白，或者去甲基化激酶CheB蛋白。然后磷酸化的CheY蛋白在細(xì)胞質(zhì)中擴(kuò)散并結(jié)合細(xì)胞膜上的鞭毛馬達(dá)，促進(jìn)鞭毛順時(shí)針旋轉(zhuǎn)[16]。而引誘劑小分子與受

9、體蛋白的結(jié)合，會(huì)抑制CheA蛋白自磷酸化，降低鞭毛馬達(dá)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)比率，從而增加細(xì)菌向高濃度引誘劑直線運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)具有偏向性的隨機(jī)游動(dòng)[17]。雖然極性鞭毛趨化信號(hào)傳導(dǎo)通路與E.coli大體相似，但更為復(fù)雜，比如銅綠假單胞菌（PseudomonasaeruginosaP.aeruginosa）控制MCPs的基因簇?cái)?shù)量比E.coli多，且其細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的調(diào)節(jié)蛋白也更多樣[9]。簡單來說，細(xì)菌趨化游動(dòng)主要包括三步：1）MCP精確感受化學(xué)刺

10、激并實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大[18]；2）細(xì)胞質(zhì)內(nèi)調(diào)節(jié)蛋白接收化學(xué)信號(hào)并通過CheY傳遞給鞭毛馬達(dá)；3）鞭毛馬達(dá)感受趨化信號(hào)并調(diào)整鞭毛旋轉(zhuǎn)方向，最終產(chǎn)生具有偏向性的趨化游動(dòng)[19]。需要說明的是，細(xì)菌鞭毛馬達(dá)旋轉(zhuǎn)由離子（周生鞭毛菌為H，極性鞭毛菌為Na）穿過細(xì)胞質(zhì)膜沿著電化學(xué)梯度推動(dòng)。H或Na沿著電化學(xué)梯度通過固定在細(xì)胞壁上的特定motAB蛋白復(fù)合物，motAB蛋白復(fù)合物沿著鞭毛馬達(dá)前進(jìn)并使它旋轉(zhuǎn)[20]。圖2E.coli趨化信號(hào)傳導(dǎo)通路[2122

11、]Fig.2ChemotacticsignalcontransductionpathofE.coli1.2種群水平上的涌動(dòng)當(dāng)細(xì)菌位于含水粗糙表面時(shí)，細(xì)胞經(jīng)歷分裂增殖并依靠鞭毛旋轉(zhuǎn)進(jìn)行種群涌動(dòng)，其速度（2～10μms?1）遠(yuǎn)低于游動(dòng)?？茖W(xué)工作者在研究細(xì)菌涌動(dòng)機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)：1）涌動(dòng)依賴于鞭毛旋轉(zhuǎn)，并且鞭毛表達(dá)更充分的菌株往往表現(xiàn)出更強(qiáng)的涌動(dòng)能力；2）涌動(dòng)需要表面活性劑參與，而合成表面活性劑通常受細(xì)菌種群感知（quumsensingQS）機(jī)制的

12、調(diào)節(jié)[9]。目前，關(guān)于細(xì)菌涌動(dòng)的具體機(jī)制及其生物學(xué)意義尚未明確，比如細(xì)菌TfP在細(xì)菌涌動(dòng)過程中的作用機(jī)制就較為模糊。Shrout等[23]研究P.aeruginosa的野生型菌株及其缺失pilA基因（編碼TfP蛋白）菌株的涌動(dòng)行為時(shí)發(fā)現(xiàn)，pilA基因的缺失顯著促進(jìn)了細(xì)菌涌動(dòng)；但Murray等[24]卻發(fā)現(xiàn)pilA基因缺失對(duì)細(xì)菌涌動(dòng)影響不大。隨后，Anyan等[25]利用數(shù)學(xué)模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，從物理學(xué)角度進(jìn)一步檢驗(yàn)TfP在細(xì)菌涌動(dòng)過